基于NCODE 疲勞分析對采煤機(jī)行走輪壽命的研究

范逢春

（山西愷晨礦用產(chǎn)品安全檢測檢驗(yàn)有限公司， 山西 太原 030000）

引言

我國作為煤炭產(chǎn)量世界第一的國家，對高性能的煤機(jī)設(shè)備有著巨大的需求，然而我國煤機(jī)設(shè)備行業(yè)卻存在著技術(shù)研發(fā)落后、企業(yè)普遍規(guī)模較小、制造工藝更新緩慢等問題，從而導(dǎo)致了采煤機(jī)械易受破壞的情況發(fā)生。有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，在機(jī)械破壞方面，疲勞破壞約占總影響的80%以上，其中采煤機(jī)行走輪是最容易受到疲勞破壞的位置，這主要是由于行走輪在生產(chǎn)中承受動(dòng)態(tài)變幅循環(huán)載荷最多，承受沖擊載荷最大，使其發(fā)生疲勞損壞的概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他位置，從而也導(dǎo)致了行走輪整體壽命較短，制約了采煤機(jī)的安全生產(chǎn)。因此，對采煤機(jī)行走輪疲勞壽命影響因素展開分析。

1 行走輪疲勞壽命分析過程

疲勞分析，是指對材料或機(jī)械結(jié)構(gòu)施加多次重復(fù)變化載荷的作用后，應(yīng)力值雖然始終沒有超過材料的強(qiáng)度極限，甚至比彈性極限還低時(shí)可能發(fā)生疲勞破壞的研究。ANSYS nCode 在疲勞耐久性設(shè)計(jì)領(lǐng)域具有完備功能和通用性，本文通過ANSYS nCode疲勞性分析研究，可以對采煤機(jī)行走輪的耐久性進(jìn)行預(yù)先評估，從而減少物理試驗(yàn)，避免設(shè)計(jì)和加工而造成的資金浪費(fèi)與損失，具體流程如圖1 所示：通過對行走輪靜強(qiáng)度、動(dòng)力學(xué)載荷譜的獲取和所使用材料的疲勞特性分析，得出數(shù)據(jù)結(jié)果。

對于采煤機(jī)行走輪疲勞分析需借助Miner 線性累積損傷理論，具體流程為：

1）通過ANSYS，對在特定載荷工況下，對行走輪進(jìn)行靜強(qiáng)度有限元的分析工作；

2）在nCode 軟件中導(dǎo)入行走輪靜強(qiáng)度的分析數(shù)據(jù)，并將材料的疲勞特性曲線輸入軟件（即為S-N曲線）；

圖1 ANSYS-NCODE 疲勞分析流程

3）輸入采煤機(jī)行走輪的動(dòng)態(tài)載荷譜；

4）按照Miner 疲勞線性累積的原則，對行走輪疲勞損傷進(jìn)行計(jì)算；

5）將計(jì)算結(jié)果通過nCode 軟件生成云圖，用以展示輪齒各個(gè)區(qū)域的疲勞壽命，并由最終判斷易損位置。通過對行走輪勞易損位置的研究，不僅可以提高設(shè)備整體性的壽命，還可以對采煤機(jī)牽引部其他結(jié)構(gòu)件存在的缺陷進(jìn)行優(yōu)化，為煤機(jī)行業(yè)的發(fā)展提供一定的參考價(jià)值。

2 行走輪疲勞分析

2.1 行走輪彎曲有限元分析

2.1.1 靜力學(xué)分析模型

采煤機(jī)是一個(gè)集機(jī)械、電氣和液壓為一體的大型復(fù)雜系統(tǒng)，工作環(huán)境惡劣，工作面狀況復(fù)雜，依靠在采掘工作面上不斷前后移動(dòng)、推進(jìn)完成煤炭的開采工作。由于輪齒嚙合處受力不斷變化和影響，機(jī)械設(shè)備疲勞損壞的概率大幅增加。根據(jù)現(xiàn)有的文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，行走齒輪因其傳動(dòng)方式多為非共軛嚙合，齒根因此將承受較大彎矩，從而造成應(yīng)力集中的現(xiàn)象，出現(xiàn)較大載荷，當(dāng)此時(shí)行走輪齒所受的力超過材料強(qiáng)度時(shí)，就會發(fā)生疲勞破壞的現(xiàn)象。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，輪齒在受力時(shí)，齒根部分所受的彎矩最大，因此討論輪齒的疲勞程度時(shí)，必須要先對輪齒齒頂兩側(cè)的受力情況進(jìn)行分析，并掌握其應(yīng)力分布情況。

通常而言，輪齒的嚙合過程是由兩個(gè)輪齒共同進(jìn)行的，為了提高計(jì)算速度與效率，本文不對完整的行走輪建立物理模型，只選取關(guān)鍵的三個(gè)輪齒的作為有限元模型進(jìn)行模擬計(jì)算，并在輪齒齒頂?shù)淖笥覂蓚?cè)法向方向施加相應(yīng)的載荷，其余的側(cè)面設(shè)置為全約束，如圖2 所示。

圖2 輪齒兩側(cè)物理模型

2.1.2 結(jié)果分析

如圖3 所示，將所建立的模型通過ANSYS 軟件計(jì)算發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力的大小為施加于右側(cè)略大于施加于左側(cè)，也就是說，輪齒在受壓時(shí)應(yīng)力大于輪齒受拉時(shí)的應(yīng)力。所得結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)中輪齒嚙合的受力情況一致，說明此物理模型準(zhǔn)確有效，將用于對輪齒壽命的進(jìn)一步研究。

2.2 行走輪載荷譜的獲取

如圖4 所示，根據(jù)現(xiàn)有的ADAMAS 仿真結(jié)果并結(jié)合實(shí)際使用的情況來看，本文可以得到常規(guī)狀態(tài)下，輪齒在嚙合時(shí)的接觸力與時(shí)間變化的曲線圖，也就是輪齒的動(dòng)載荷譜。

圖3 行走輪輪齒受力時(shí)應(yīng)力分布圖

圖4 行走輪載荷譜曲線

2.3 行走輪S-N 曲線的確定

由于齒輪是依靠本身的結(jié)構(gòu)尺寸和材料強(qiáng)度來承受外載荷的，所以采煤機(jī)對齒輪要求所選材料，不僅要具備較高強(qiáng)度的韌性，還要具備一定得耐磨性。本文在對輪齒的模擬中選用材料為ZG30CrMnmo，此材料為含鎳鋼而研制的新鋼種，具有低的過熱敏感性、較好的淬透性、抗回火性和較小的回火脆化傾向等特點(diǎn)。再將ZG30CrMnmo 材料的各種屬性在nCode 中完成定義，包括質(zhì)量密度、彈性模量、泊松比、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等數(shù)據(jù)，最終行走輪材料的疲勞屬性根據(jù)公式（1）計(jì)算，其應(yīng)力與壽命間的對數(shù)關(guān)系可表示為：

式中：S 位應(yīng)力幅值；N 位疲勞壽命。

3 疲勞壽命結(jié)果及分析

根據(jù)上頁圖1 介紹的輪齒疲勞壽命計(jì)算流程，依次導(dǎo)入輪齒靜強(qiáng)度分析結(jié)果、動(dòng)載荷譜文件、材料疲勞特性數(shù)據(jù)。為了計(jì)算輪齒全表面節(jié)點(diǎn)疲勞壽命長短的情況，需要在nCode 軟件中將置信度設(shè)置為99%，并對模型進(jìn)行Goodman 平均應(yīng)力修正、應(yīng)力幅值的雨流計(jì)數(shù)、輪齒表面粗糙度的計(jì)算。

如圖5 所示為置信度設(shè)置成99%時(shí)，可以看出，整個(gè)模型受損最嚴(yán)重的位置為行走輪齒根部位，相較于其他部位疲勞壽命最短，壽命時(shí)限為2.23e+6次。也就是說，有99%的可靠度保證其在嚙合2.23e+6次后才會有疲勞破壞的情況出現(xiàn)。該模擬數(shù)據(jù)雖然相較于實(shí)際應(yīng)用時(shí)的數(shù)據(jù)較小，反映出整個(gè)部件疲勞受損的分布情況。

圖5 行走輪輪齒疲勞壽命分布圖

4 結(jié)論

1）由于行走輪的輪齒齒根左右側(cè)頻繁受到拉應(yīng)力的作用，并且拉應(yīng)力的交變效應(yīng)也會造成輪齒表面產(chǎn)生裂紋，從而導(dǎo)致該部位極易出現(xiàn)疲勞破壞。

2）通過nCode 的計(jì)算顯示，其結(jié)果驗(yàn)證了齒根為采煤機(jī)行走輪最易發(fā)生疲勞破壞的部位，特別是在施加特定載荷之后，高達(dá)99%的可靠度保證其齒輪的壽命約為2.23e+6次。

3）為了保證采煤機(jī)的工作效率、延長行走輪的使用壽命，可以通過專業(yè)設(shè)計(jì)優(yōu)化行走輪齒輪齒形，適當(dāng)降低節(jié)度圓半徑的來減小輪齒所受彎矩；并在輪齒表面進(jìn)行噴丸、滲氮等工藝提高輪齒粗糙度。